BRPI0804447A2 - permanent magnet magnetic bearing - Google Patents
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Abstract
Patente de Invenção de um Mancal magnético feito com imãs permanentes, cuja finalidade é sustentar um eixo que gira, levitando-o por meio de forças magnéticas produzidas por imãs permanentes. O mancal é construído dispondo-se sobre o eixo imãs com polaridades opostas às polaridades de outros imãs colocados no mancal, de forma a repelirem-se e não se tocar, levítando o eixo e mantendo-o estabilizado enquanto gira, impedindo assim o aquecimento por atrito do eixo com o mancal e o desgaste, e dispensando lubrificação. O Mancal também atenua vibrações e outras perturbações que possam ocorrer no eixo que gira, pois exerce força contrária a deslocamentos do eixo em relação a sua posição de equilíbrio, que é o centro do mancal. A eficácia desta montagem é obtida devido à utilização de dimensões e proporções específicas para os imãs, as quais são objeto desta patente. Este mancal possui vantagens em relação aos mancais eletromagnéticos construídos com eletroimãs, como baixo custo, simplicidade, não utilizar energia elétrica para seu funcionamento e não requerer manutenção. O Mancal é utilizável em qualquer aplicação, seja em altas velocidades, como em turbinas, ou em baixas como em motores em geral, geradores elétricos, etc.Patent for a magnetic bearing made of permanent magnets, the purpose of which is to support a rotating shaft by levitating it by means of magnetic forces produced by permanent magnets. The bearing is constructed by arranging magnets with polarities opposite to the polarities of other magnets placed on the bearing so as to repel each other and not touch each other, levitating the shaft and keeping it stabilized while rotating, thus preventing heating by shaft friction with the bearing and wear, and dispensing lubrication. The bearing also attenuates vibrations and other disturbances that may occur in the rotating shaft as it exerts a force against shaft displacements relative to its equilibrium position, which is the center of the bearing. The effectiveness of this assembly is obtained due to the use of specific dimensions and proportions for the magnets, which are the subject of this patent. This bearing has advantages over electromagnetic bearings built with electromagnets, such as low cost, simplicity, do not use electric power for its operation and do not require maintenance. The bearing is usable in any application, whether at high speeds, such as turbines, or at low speeds such as general motors, electric generators, etc.
Description
"MANCAL MAGNÉTICO DE IMÃS PERMANENTES"."MAGNETIC PERMANENT MAGNET BEARING".
A presente invenção refere-se a um mancai magnético construídode imãs permanentes, ou seja, um mancai que sustenta o peso de um eixo quegira sem contato com o mesmo, fazendo-o levitar por meio de forças magnéticasproduzidas por imãs permanentes.The present invention relates to a magnetic bearing constructed of permanent magnets, that is, a bearing that supports the weight of a quegira shaft without contact with it by levitating it by means of magnetic forces produced by permanent magnets.
Mancais são utilizados para sustentar eixos que giram em motores,geradores, turbinas e maquinas rotativas em geral. Os mancais que têm contatocom o eixo causam aquecimento por atrito e desgaste, mesmo utilizando algumtipo de fluído entre eles e o eixo, como óleo, inclusive aqueles que utilizamrolamentos de esferas.Bearings are used to support shafts that rotate in motors, generators, turbines and rotary machines in general. Bearings that have contact with the shaft cause frictional heating and wear even using some type of fluid between them and the shaft, such as oil, including those using ball bearings.
Existem mancais feitos com eletroímãs que não mantêmcontato com o eixo, pois o fazem levitar por meio de forças eletromagnéticas,não causando desgaste e nem aquecimento. Nestes, os eletroímãs sãomontados em forma de um anel que circunda o eixo. Todos os eletroímãsexercem uma força de atração sobre o eixo de metal magnetizável. As forças deatração dos eletroímãs superiores compensam o peso do eixo fazendo-o levitar.There are bearings made with electromagnets that do not maintain contact with the shaft, because they make it levitate through electromagnetic forces, causing neither wear nor heating. In these, the electromagnets are assembled in the form of a ring that surrounds the axis. All electromagnets have an attractive force on the magnetizable metal axis. The pulling forces of the upper electromagnets compensate for the shaft's weight by levitating it.
Além de levitar o eixo, os eletroímãs também atenuam asvibrações e deslocamentos que possam ocorrer na posição do eixo. Taisvibrações e perturbações são detectadas por sensores e enviadas aocomputador que calcula correções na intensidade da corrente que passa peloseletroímãs e, portanto, altera a força exercida por eles de forma a compensar eatenuar estas vibrações e deslocamentos indesejáveis.In addition to levitating the shaft, electromagnets also attenuate vibrations and displacements that may occur at the shaft position. Such vibrations and disturbances are detected by sensors and sent to the computer which calculates corrections in the intensity of the current passing through the electromagnets and thus alters the force exerted by them in order to compensate for these undesirable vibrations and shifts.
A força exercida pelos eletroímãs é obtida pela passagem decorrente elétrica pelos mesmos. A corrente elétrica é suprida por circuitoseletrônicos que, por sua vez, são controlados por software em um computadoreletrônico.The force exerted by the electromagnets is obtained by the electric passing through them. Electric current is supplied by electronic circuits which, in turn, are controlled by software in an electronic computer.
Os mancais com eletroímãs são pouco usados em virtude do seualto custo. O custo elevado é devido à complexidade dos circuitos eletrônicos,do software de controle, etc. Também tem como desvantagem necessitar deenergia elétrica para seu funcionamento e, conseqüentemente, de dispositivosque suportem uma eventual falta no fornecimento de energia elétrica. Pode-setambém apontar como desvantagem a necessidade de manutenção periódicados dispositivos eletrônicos devido a sua limitada vida útil.Apesar dessas desvantagens, o Mancai com eletroímãs éutilizado em aplicações especiais, como as que envolvem uma alta velocidadedo eixo, como, por exemplo, em centrífugas e turbinas axiais, nas quais outrostipos de mancais não são apropriados.Bearings with electromagnets are little used because of their cost. The high cost is due to the complexity of electronic circuits, control software, etc. It also has the disadvantage that it requires electrical energy for its operation and, consequently, devices that support a possible lack of electricity supply. A disadvantage may also be the disadvantage of the need for periodic maintenance of electronic devices due to their limited service life. Despite these disadvantages, Mancai with electromagnets is used in special applications, such as those involving a high spindle speed, such as centrifuges and axial turbines, in which other types of bearings are not suitable.
Tendo em vista esse problema e com o propósito de superá-lo foiproposta uma forma de se obter um mancai para levitar o eixo e mantê-loestabilizado sem utilizar eletroímãs. A presente invenção, denominada MancaiMagnético de Imãs Permanentes, se utiliza de imãs permanentes ao invés deeletroímãs. Este novo mancai, ao contrário do mancai que utiliza eletroímãs, nãopossui as desvantagens referentes ao alto custo e complexidade, a necessidadede manutenção e a utilização de energia elétrica para o seu funcionamento.In view of this problem and in order to overcome it, a way to obtain a bearing to levitate the shaft and to keep it stabilized without using electromagnets has been proposed. The present invention, called MancaiMagnetic of Permanent Magnets, uses permanent magnets instead of electromagnets. This new bearing, unlike the one that uses electromagnets, does not have the disadvantages related to the high cost and complexity, the need for maintenance and the use of electricity for its operation.
O Mancai Magnético de Imãs Permanentes utiliza-se do princípiode repulsão entre as faces de dois imãs permanentes com polaridadesmagnéticas opostas. São montados imãs em torno do eixo (parte interna domancai) e na parte externa do mancai (que evolve o eixo sem tocá-lo). As facesdos imãs sobre o eixo têm polaridades opostas às polaridades dos imãs da parteexterna do mancai, fazendo eles se repelirem e manter o eixo levitando nocentro da parte externa do mancai.The Permanent Magnet Magnetic Bearing uses the principle of repulsion between the faces of two permanent magnets with opposite magnetic polarities. Magnets are mounted around the shaft (inner part of the shaft) and on the outside of the sleeve (which evolves the shaft without touching it). The faces of the magnets on the shaft have polarities opposite to the polarities of the magnets on the outside of the bearing, causing them to repel and keeping the axis levitating from the outside of the bearing.
A simples montagem dos imãs conforme descrita acima nãopermite obter o funcionamento desejado. Os imãs devem ser montados de formaque, ào girar o eixo, ele se mantenha estável e levitando no centro do mancai. Aforma de montar os imãs para obter o resultado desejado é o objeto destapatente.Simply mounting the magnets as described above will not achieve the desired operation. The magnets should be mounted so that as the shaft is rotated it remains stable and levitates in the center of the bearing. The way to assemble the magnets to get the desired result is the uncapped object.
A utilização de imãs modernos de Terras Raras como Neodímio-ferro-boro, samário-cobalto, e outros, disponíveis no mercado, prove forçasuficiente para o Mancai Magnético de Imãs Permanentes ser utilizado emqualquer tipo de aplicação e levitar eixos de qualquer tamanho, pois estes imãstêm força equivalente a milhares de vezes o seu peso. Estes imãs, ao contráriodos imãs de Ferrite, não perdem a magnetização com o tempo, nem sãodesmagnetizados por campos magnéticos comuns. Desta forma, o MancaiMagnético de Imãs Permanentes é um dispositivo que pode ser utilizado emmáquinas rotativas sem se desgastar ou necessitar de reposição periódica.The use of modern rare earth magnets such as Neodymium Iron Boron, Samarium Cobalt, and others commercially available provides sufficient strength for Permanent Magnet Magnetic Bearings to be used in any application and to levitate shafts of any size as these They have strength equivalent to thousands of times their weight. These magnets, unlike Ferrite magnets, do not lose their magnetization over time, nor are they demagnetized by ordinary magnetic fields. Thus, the Permanent Magnet MancaiMagnetic is a device that can be used on rotating machines without wearing out or requiring periodic replacement.
O Mancai Magnético de Imãs Permanentes desempenha asmesmas funções do Mancai de eletroimãs, com custo e complexidade muitomenores e não necessita de manutenção nem do fornecimento de energiaelétrica.The Permanent Magnet Magnetic Bearings perform the same functions as the electromagnetic Bearings, with much lower cost and complexity and do not require maintenance or electric power supply.
O Mancai Magnético de Imãs Permanentes é aplicável onde senecessite sustentar um eixo que gira, sem desgaste e sem aquecimento poratrito, dispensando assim manutenção e refrigeração. Ele também atenuavibrações e outras perturbações que podem ocorrer no eixo, exercendo forçacontrária a deslocamentos que ocorram em relação a sua posição de equilíbriono centro do mancai. Devido às suas vantagens já mencionadas em relação aoMancai de eletroimãs, ele pode ser utilizado tanto em aplicações especiais, queenvolvem altas velocidades do eixo (como centrífugas e turbinas), como tambémem aplicações de baixa velocidade de rotação como motores empregados emequipamentos domésticos ou industriais geradores elétricos, ou qualquer outrotipo de máquina rotativa.The Permanent Magnet Magnetic Bearing is applicable where it is necessary to support a rotating shaft without wear and without friction heating, thus requiring no maintenance and cooling. It also attenuates vibrations and other disturbances that may occur in the shaft by exerting force against displacements that occur in relation to its center-bearing position. Due to its already mentioned advantages over electromagnet Mancai, it can be used both in special applications, involving high spindle speeds (such as centrifuges and turbines), as well as in low rotational speed applications such as motors employed in domestic or industrial electric generating equipment. , or any other rotary machine type.
Na descrição que segue apresentam-se figuras que permitirão acompreensão da construção e do funcionamento do Mancai Magnético de ImãsPermanentes.The following description presents figures that will allow the understanding of the construction and operation of the Magnetic Bearings of Permanent Magnets.
A Fig.1 apresenta dois mancais magnéticos de imãspermanentes montados nas extremidades de um eixo acoplado a uma massa,exemplificando sua utilização.Fig. 1 shows two magnet magnets with permanent bearings mounted on the ends of a mass-coupled shaft, exemplifying their use.
A Fig. 2 mostra a forma e as dimensões dos imãs utilizados e,também, o sentido de sua magnetização.Fig. 2 shows the shape and dimensions of the magnets used and also the direction of their magnetization.
A Fig. 3 apresenta a vista frontal do Mancai Magnético de ImãsPermanentes. Mostra a parte externa e, dentro desta, a sua parte interna que éfixada ao eixo. Mostra, também, como são montados os imãs.Fig. 3 presents the front view of the Magnetic Bearings of Permanent Magnets. It shows the outer part and, inside it, its inner part that is fixed to the axis. It also shows how the magnets are assembled.
A Fig. 4 e a Fig. 5 mostram as propriedades magnéticas dos imãspermanentes que são utilizadas no Mancai Magnético de Imãs Permanentes.Fig. 4 and Fig. 5 show the magnetic properties of the permanent magnets that are used in the Permanent Magnet Magnetic Bearing.
As Fig. 6 e a Fig. 7 mostram porque uma montagem qualquer deimãs não produzem os resultados esperados.Fig. 6 and Fig. 7 show why any assembly of the magnets does not produce the expected results.
A Fig. 8 mostra como montar os imãs de forma que ele funcionecomo desejado.Fig. 8 shows how to assemble the magnets so that it works as desired.
A Fig. 9 e a Fig. 10 mostram porque os imãs externos (domancai) e os internos (da parte presa ao eixo) devem ter o mesmo comprimentopara,que o eixo fique em equilíbrio no centro do mancai.Fig. 9 and Fig. 10 show why the outer (domancai) and inner (of the shaft attached) magnets must have the same length so that the shaft is in equilibrium in the center of the bearing.
A Fig. 11 mostra imãs adicionais, colocados abaixo dos imãsinferiores da parte externa do mancai, cuja finalidade é aumentar a força desustentação do eixo de forma a permitir levitar eixos mais pesados.Fig. 11 shows additional magnets placed below the lower magnets on the outside of the bearing, the purpose of which is to increase the shaft's disentangling force to allow heavier shafts to levitate.
Na figura 1 são mostradas as partes externas de dois MancaisMagnéticos de Imãs Permanentes 1, montados em um suporte fixo 6. Dentrodos mancais estão as suas partes internas 2 (presas ao eixo). Os mancaissustentam (levitam) o eixo 3 que pode girar, sustentando uma massa (carga)que pode ser, por exemplo, uma turbina 4. Para que a parte de dentro do mancainão saia do mesmo, fazendo o eixo se deslocar na direção axial, utilizam-seesbarros 5 bem próximos das partes internas dos mancais, nas extremidadesopostas do eixo. Caso as extremidades do eixo terminem nos mancais (nãotranspassem os mancais), esses esbarros podem ser posicionados nasextremidades do eixo. Na parte superior da parte externa do mancai não sãocolocados imãs para não cancelar a força exercida sobre o eixo pelos imãsinferiores, os quais sustentam o peso do eixo.Figure 1 shows the outer parts of two Permanent Magnet Bearings 1, mounted on a fixed bracket 6. Within each bearing are their inner parts 2 (attached to the shaft). The bearings support (levitate) the rotatable shaft 3, supporting a mass (load) which may be, for example, a turbine 4. So that the inside of the bearing does not come out of it, causing the shaft to move in the axial direction, Bars 5 are used very close to the inner parts of the bearings at the opposite ends of the shaft. If the ends of the shaft end in the bearings (do not pass through the bearings), these bumps may be positioned at the shaft ends. In the upper part of the outside of the bearing are not placed magnets to avoid canceling the force exerted on the shaft by the lower magnets, which support the weight of the shaft.
A Fig. 2 mostra o imã permanente, onde temos sua altura 1, seucomprimento 2 e sua largura 3. A figura mostra também o sentido demagnetização do imã que é a da face inferior para a face superior.Fig. 2 shows the permanent magnet, where we have its height 1, its length 2 and its width 3. The figure also shows the demagnetization direction of the magnet from the lower to the upper side.
A Fig. 3 mostra a vista frontal da parte externa do mancai 1 e desua parte interna 2. Mostra as extremidades dos imãs 3 fixados à parte externado mancai 1 e as extremidades dos imãs 4 fixados na parte interna do mancai 2.Mostra, também, o furo no centro da parte interna do mancai 5 utilizado para afixação do eixo. O material utilizado na parte externa do mancai e na parteinterna do mancai deve ser não-magnetizável, como o alumínio ou o açoinoxidável, para que não interfira na ação dos imãs.Fig. 3 shows the front view of the outside of the bearing 1 and its inner part 2. Shows the ends of the magnets 3 attached to the outside of the bearing 1 and the ends of the magnets 4 attached to the inside of the bearing 2. Also shows the hole in the center of the inner part of the bearing 5 used to affix the shaft. The material used on the outside of the bearing and on the inside of the bearing must be non-magnetizable, such as aluminum or stainless steel, so as not to interfere with the action of the magnets.
A Fig. 4 mostra as extremidades de imãs 1 produzindo camposmagnéticos que se originam na face inferior (N) e vão até a face superior (S).Estes campos se repelem devido às faces de mesma polaridade estarempróximas. Esta configuração é utilizada no Mancai Magnético de ImãsPermanentes. A Fig. 5 mostra outra configuração de imãs 1, onde os camposse atraem devido às faces de polaridade contrárias estarem próximas.Fig. 4 shows the ends of magnets 1 producing magnetic fields that originate on the underside (N) and extend to the top face (S). These fields repel each other because the faces of the same polarity are near. This setting is used on the Permanent Magnet Magnetic Bearing. Fig. 5 shows another configuration of magnets 1, where the fields attract due to the opposite polarity faces being close.
A Fig. 6 mostra as extremidades de imãs de mesmo tamanhoacima e abaixo 2. Os imãs de cima 1 e os de baixo 2 se repelem devido asfaces próximas terem polaridades iguais. Esta é a configuração utilizada nomancai, sendo que os imãs de cima representam aqueles fixados na parteexterna do mancai e os de baixo representam aqueles fixados na parte internado mancai.Fig. 6 shows the ends of magnets of the same size above and below 2. The top 1 and bottom 2 magnets repel each other because the nearby faces have equal polarities. This is the configuration used in the mancai, and the magnets above represent those fixed on the outer part of the bearing and those below represent those fixed on the internally bearing.
A Fig. 7 mostra o que ocorre com o campo magnético quando osimãs de cima 1 e os de baixo 2 se deslocam devido ao giro da parte interna domancai, causada pelo giro do eixo. Neste caso, os imãs da parte externa domancai 1 e da parte interna 2 se atraem devido as frestas entre os imãs criaremcampos magnéticos de atração entre faces opostas, como mostra a figura 7. Afigura mostra que os imãs da parte externa do mancai não podem ser do mesmotamanho que os da parte interna do mancai, pois neste caso a parte externa domancai e a parte interna se aderem e o efeito de levitação não é obtido.Fig. 7 shows what happens to the magnetic field when the upper 1 and lower 2 magnets move due to the rotation of the inner part caused by the rotation of the shaft. In this case, the magnets on the outside of the sleeve 1 and on the inside 2 attract each other due to the cracks between the magnets creating magnetic fields of attraction between opposite faces, as shown in Figure 7. It shows that the magnets on the outside of the sleeve cannot be the same size as those on the inside of the bearing, because in this case the outside of the bearing and the inside stick together and the levitation effect is not obtained.
A Fig. 8 mostra imãs maiores montados na parte externa domancai 1 e menores montados na parte interna do mancai na proporção tal que,dois imãs da parte externa têm juntos a mesma largura que três imãs da parteinterna juntos. Nesta proporção, as forças de atração e repulsão, que ocorrem amedida que o eixo gira, têm um efeito resultante de repulsão (somando-seas forças de atração e as de repulsão) que impede a adesão da parte externado mancai com sua parte interna. Outras proporções de tamanho dos imãsexternos e internos podem ser utilizadas desde que a força resultante seja derepulsão, de forma a se obter o efeito de levitação do eixo.Fig. 8 shows larger magnets mounted on the outside of the sleeve 1 and smaller magnets mounted on the inside of the sleeve in proportion such that two magnets on the outside are the same width as three magnets on the inside together. In this respect, the forces of attraction and repulsion, which occur as the shaft rotates, have a resultant effect of repulsion (adding forces of attraction and repulsion) that prevent adhesion of the outer part with its inner part. Other size ratios of the internal and external magnets may be used provided the resulting force is thrust to obtain the levitation effect of the shaft.
A Fig. 9 mostra as partes externa 1 e interna do mancai 2, ambaspossuindo o mesmo comprimento. Se a parte interna do mancai 2 ficarexatamente alinhada dento dele, ela não será empurrada para fora em nenhumadas direções, ficando em equilíbrio dentro do mancai. Este equilíbrio é instável,uma vez que qualquer deslocamento da parte interna para fora da parte externado mancai produzirá forças que empurrarão a parte interna mais ainda para foradevido aos campos magnéticos que surgem, mostrados na figura 10. Para evitarque a parte interna do mancai saia da posição de equilíbrio, utilizam-se esbarroscomo mostrado na figura 1. Como a parte interna do mancai está emequilíbrio, nenhuma força é exercida por ela sobre os esbarros, de forma quenão há atrito nem desgaste significativo sobre o esbarro. A figura 10 ilustra asforcas de atração que ocorrem entre as partes internas e externas do mancai. Seessas não estiverem alinhadas uma dentro da outra, elas se colarão.Fig. 9 shows the outer 1 and inner parts of the bearing 2, both having the same length. If the inside of the bearing 2 is exactly aligned within it, it will not be pushed out in any direction, and will balance within the bearing. This balance is unstable since any displacement from the inside out of the outside of the bearing will produce forces that will push the inside further out due to the magnetic fields that appear shown in figure 10. To prevent the inside of the bearing from leaving equilibrium position, bumps are used as shown in figure 1. As the inner part of the bearing is in balance, no force is exerted by it on the bumps, so there is no friction or significant wear on the bump. Figure 10 illustrates the attraction forces that occur between the inner and outer parts of the bearing. If these are not aligned within each other, they will stick together.
A Fig. 11 mostra imãs adicionais 1, colocados abaixo dos imãsinferiores da parte externa do mancai 2, cuja finalidade é aumentar a força quelevita o eixo, de forma a permitir levitar eixos mais pesados, sem aumentar otamanho do mancai. Pode-se também, ao invés de colocar imãs adicionais,utilizar imãs de altura maior na parte inferior do mancai.Fig. 11 shows additional magnets 1 placed below the lower magnets on the outside of the bearing 2, the purpose of which is to increase the axle force to allow heavier shafts to be levied without increasing the bearing size. You can also, instead of placing additional magnets, use larger magnets at the bottom of the bearing.
Claims (16)
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| BRPI0804447 BRPI0804447A2 (en) | 2008-07-18 | 2008-07-18 | permanent magnet magnetic bearing |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012174624A1 (en) * | 2011-06-20 | 2012-12-27 | Uiniversidade Federar De Pernambuco | Thrust-stabilised magnetic levitation ultracentrifuge |
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2008
- 2008-07-18 BR BRPI0804447 patent/BRPI0804447A2/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012174624A1 (en) * | 2011-06-20 | 2012-12-27 | Uiniversidade Federar De Pernambuco | Thrust-stabilised magnetic levitation ultracentrifuge |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of an application: publication of a patent application or of a certificate of addition of invention | ||
| B11A | Dismissal acc. art.33 of ipl - examination not requested within 36 months of filing | ||
| B11Y | Definitive dismissal acc. article 33 of ipl - extension of time limit for request of examination expired |